基于51单片机控制步进电机毕业设计论文.doc

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南　京　工　业　大　学

毕　业　设　计

题　　目：

基于单片机的步进电机控制系统设计

学生姓名：

学　　号：

专　　业：

电气工程与控制科学学院

班　　级：

指导教师：

杨道业

2016年6月

I

基于单片机的步进电机控制系统设计

摘要

步进电动机是一种由电脉冲信号控制的执行元件，由于它具有易控制、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和打印机等方面有着广泛应用。

微电子技术的普及与应用以及微型计算机的飞速发展，逐步进入电机应用领域，这使得之前用硬件电路构成大而复杂的控制器，现在可以用软件来实现。

这不仅降低了硬件成本，又提高了控制的灵活性、可靠性及多功能性。

由于步进电机具有瞬时启动，急速停止，精度高等特点，用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此设计出基于单片机的步进电机控制系统具有极大的价值和广泛的应用。

本文课题主要研究了基于单片机的步进电机系统的论证设计。

课题内容包括概述步进电机与单片机的工作原理，对步进电机驱动电路进行了分析，以及对系统硬件电路及程序进行了设计与测试。

步进电机控制系统的设计采用了软硬件协同仿真的方法，可以有效降低系统开发的时间与成本。

利用protues仿真软件完成电机的正反转、加减速、启动停止等基础功能，利用单片机、步进电机驱动芯片、字符型LCD和键盘阵列等元件模块，设计了以控制器与驱动器为一体的步进电机仿真控制系统，实现了对步进电机的方位设定、位置控制等功能，并实时显示出步进电机的工作状态。

该系统的硬件组成主要包括控制电路、显示电路、报警反馈电路以及驱动电路组成，根据硬件电路设计出相应的软件程序，进行调试与分析。

该设计系统具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点。

关键词：

步进电机驱动电路单片机仿真控制系统

Designofsteppingmotorcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

Steppingmotorisakindofbyelectricpulsesignaltocontrolactuator,becauseitiseasytocontrol,smallsizeandothercharacteristics,sointheCNCsystem,automaticproductionlines,automaticinstrument,drawingmachineandprinterhasawidelyapplication.Thepopularizationandapplicationofmicroelectronictechnologyandrapiddevelopmentofmicrocomputer,andgraduallyintotheapplicationfieldofthemotor,whichmakesbeforehardwarecircuitcontrolleroflargeandcomplexcannowbeusedsoftwaretoachieve.Thisnotonlyreducesthecostofhardware,butalsoimprovestheflexibility,reliabilityandfunctionalityofthecontrol.Becauseofthesteppermotorwithinstantaneousstart,rapidstop,highaccuracy,andwiththecompositionoftheopenloopsystemissimple,cheap,andverypractical.Therefore,thedesignofbasedonsingle-chipsteppermotorcontrolsystemhasgreatvalueandbroadapplication.

Thispapermainlystudiesthedesignofthesteppermotorsystembasedonsinglechipmicrocomputer.Thecontentofthesubjectincludestheprincipleofstepmotorandsinglechipmicrocomputer,thesteppermotordrivecircuitisanalyzed,andthesystemhardwarecircuitandprogramaredesignedandtested.Thedesignofsteppingmotorcontrolsystemadoptsthemethodofsoftwareandhardwarecosimulation,whichcaneffectivelyreducethetimeandcostofthesystemdevelopment.UsingProtuessimulationsoftwaretocompletethemotorpositiveinversion,decelerationandstopstartandotherbasicfunctions,usingsinglechipmicrocomputer,steppingmotordrivechip,charactertypeLCDandkeyboardarrayelementmodule,thedesignofthecontrollerandthedriverforonestepintothesimulationofmotorcontrolsystem,realizesthefunctionofthesteppermotorrangesetting,positioncontrolandreal-timedisplayofastepintotheworkingstateofthemotor.Thehardwareofthesystemconsistsofcontrolcircuit,displaycircuit,alarmfeedbackcircuitanddrivecircuit,thecorrespondingsoftwareprogramisdesignedaccordingtothehardwarecircuit,andthedebuggingandanalysisarecarriedout.Thedesignsystemhasthecharacteristicsofclearthinking,highreliability,strongstabilityandsoon.

Keywords:

steppingmotor;drivecircuit;singlechipmicrocomputer;simulationandcontrolsystem

目录

第一章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题的目的和意义 1

1.3课题的内容 2

第二章步进电机的结构与特点 3

2.1步进电机的构造 3

2.2步进电机的工作原理 3

2.3步进电机的主要特征 5

2.4步进电机绕组的电气特性 6

2.5步进电机的选型 8

第三章设计原理分析 9

3.1设计目的 9

3.2设计要求 9

3.3总体设计方框图 9

3.4设计方案论证 10

3.4.1系统控制方案 10

3.4.2驱动模块方案选择 12

3.4.3最终方案确定 14

第四章步进电机控制系统硬件设计 15

4.1单片机最小系统 15

4.2控制电路 17

4.3驱动电路 18

4.4显示电路 19

4.5位移越界报警电路 20

4.6状态指示灯显示电路 21

第五章步进电机控制系统软件设计 22

5.1主程序设计 22

5.2LCD显示程序设计 24

5.3转速控制程序设计 26

5.4程序设计 27

5.5角度设定程序设计 27

5.6位移设定程序设计 29

第六章仿真结果与分析 33

6.1整体硬件设计图 33

6.2测试 33

6.3误差分析 37

第七章总结 39

参考文献 40

致谢 42

III

南京工业大学本科毕业设计（论文）

第一章绪论

1.1课题背景

步进电机作为控制执行器，广泛应用于各种控制领域[1]。

当需要精确控制角度方位时，步进电机的使用将会很好解决实际问题。

随着微电子技术和计算机技术的飞速发展[2]，各行业对步进电机的需求日益增加，它已被普遍应用于各个经济领域。

步进电机是在国外发明的。

中国在文化大革命中就已经开始应用和生产，例如北京、浙江、江苏、四川都可以生产，而且在各行业开始逐步使用，目前驱动电路的半导体器件大多能做到完全国产。

当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路[3]，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

当前，国外对步进电机的控制和驱动研究的一个重要的发展方向，是大量的研发专用芯片，结果就是让驱动器的体积变得相当小，与此同时还可以明显提高驱动系统的整体性能。

对于一类相对典型的芯片，其核心是采用硬件和微程序，用来保证步进电机能够实现合理的加速和减速过程。

对于[4]像日本的ppmc101b这样的开环步进电机，能够具有一个适合实际情况的加减速过程，并且还可以使它的运行速度达到很高的水

平，而不会导致过冲或失步。

采用像这类专用集成电路可以驱动3～5相电路，其设定的转速范围、加减速的过渡时间及上升下降的陡度可根据负载选定，此外还有单步运转和不同的停止方式。

1.2课题的目的和意义

随着自动化控制技术的进一步应用和发展[5]，以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用。

相应地，其控制系统也必定需要升级发展，特别是智能化技术应用方向的发展将会成为步进电机的下一步发展趋势。

之前的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路或者集成电路，它不仅增加了安装调试的复杂度，还会消耗大量的组件，而且一旦改变了控制方案，就必须重新去设计系统，包括电路的设计与测试、元器件的更换与调试，从而不利于系统的升级。

基于单片机的控制系统[6]，通过软件对步进电机进行控制，可以更好的发挥步进电机的潜力，能够用最低成本去优化系统，大大节约了系统升级的难度与成本。

用微型单片机[7]控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求，因此，设计出一套稳健的基于单片机的步进电机控制系统对于各行业使用需求具有十分重要的意义。

1.3课题的内容

本论文所选的是四相步进电机，所用控制方法是由单片机CPU控制产生相序脉冲，再经过驱动电路形成对步进电机的驱动电流。

步进电机的运行控制主要是通过外部的电脉冲的输入。

当步进电机的驱动器接收到一个脉冲信号的时候，它会进行相应的电流信号分配以及功率放大，直到可以达到驱动步进电机的电流和电压[8]。

这时步进电机的绕组开始具